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Tecnologia Farmacêutica II- Aulas Práticas
II.3- Ciclodextrinas
Ciclodextrinas (CDs) também chamadas dextrinas de Schardinger, ciclomaltooligossacáridos ou
ciclooligoglucanos foram descobertas em 1891 por Villiers em virtude da digestão do amido por
culturas de Bacillus amylobacter. Só mais tarde, em 1904, Schardinger isolou um novo
microrganismo, Bacillus macerans, o qual produzia quantidades superiores de dextrinas. (Valle,
2004) Embora desde os anos 70 se tenha demonstrado a incontestável versatilidade destes
compostos e aplicabilidade nos diferentes tipos de indústria, só face aos avanços biotecnológicos
dos anos 80 foi possível a produção de CD de uma forma económica e competitiva. (Póvoa et al.,
2001)
As CDs são moléculas hidrossolúveis, cíclicas e oligossacáridos não redutores provenientes de 6,
7 ou 8 (ou mais) unidades de D-glucopiranose unidas por ligações glicosídicas -1,4,
designando-se por alfa-, beta- e gama-CDs, respectivamente.
Tabela 4 – Propriedades das ciclodextrinas. (adaptado
de Szejtli et al., 1994)

6
972

7
1135

8
1297
14,5
1,85
23,2
150  0,5
4,7 – 5,3
7,9  0,1
14,6  0,4
174
162,5  0,5
6,0 – 6,5
7,9  0,1
15,4  0,4
262
Paralelogramas
monoclinicos
177,4  0,5
7,5 – 8,3
7,9  0,1
17,5  0,4
427
Prismas
quadráticos
119,0
166/-169
4,23
3,00
10,2
3,443
Negligenciável
5,8
12,332
117,7
169/-172
4,39
2,86
13,2-14,5
3,223
Reduzida
166
12,202
112,6
165/-169
4,48
2,81
8,13-17,7
3,000
Rápida
2300
12,081
7,2
0,4
-5,0
Ciclodextrina
Nº unidades de glucose
Peso Molecular
Solubilidade em água (g/100 ml) à temperatura
ambiente
[]25D
Diâmetro da cavidade (Å)
Altura do cone truncado (Å)
Diâmetro exterior (Å)
Volume aproximado da cavidade (Å3)
Forma dos cristais
hexagonais
Parâmetros cristalográficos:
Ângulo Cd1-----O4------C4 (º)
 0 / 0
Distância O4- - - - O4`(Å)
Distância O2- - - - O3`(Å)
% massa de água de cristal
Constante de difusão a 40ºC
Hidrólise por -amilase A. Oryzae
Vmáx. (min-1)
pK a 25ºC
Compressibilidade adiabática em soluções
aquosas (ml mol-1 * 104)
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O esqueleto central glucosídico forma a parte principal da CD e é responsável pelas propriedades
hidrofóbicas da cavidade interior, sendo a face externa hidrofílica, o que torna esta molécula
hidrossolúvel (Fig.2). (Cabral, Marques, 1994; Cabral, Marques, 1991; Sjejtli, 1990; Rosane,
2005).
Fig. 2- Estrutura química da -ciclodextrina. A molécula tem forma cónica truncada com o hidrogénio primário (C6
hidroxilo) numa margem e os grupos hidroxilo secundários (C2 e C3 hidroxilos) na outra margem do cone. (Rosane,
2005)
Em relação à toxicidade, todos os estudos de toxicidade oral demonstraram que as CD são
praticamente atóxicas devido à sua baixa absorção e metabolização no tracto gastrointestinal.
(Póvoa et al., 2001) As  e  -CD são conhecidas pela sua insegurança na administração por via
parentérica devido ao fenómeno de nefrotoxicidade relacionado aparentemente com uma resposta
adaptativa à excreção de agentes osmóticos em concentrações elevadas. A capacidade das CD
causarem hemólise e irritação das membranas está relacionada com a extracção de componentes
lipídicos das membranas celulares. (Stella et al., 1997; Baldrick, 2000) Por via tópica as  e  CD podem causar irritação cutânea quando usadas em elevadas concentrações, o mesmo não
acontecendo com as  -CD. (Póvoa et al., 2001)
Os factores envolvidos na formação de complexos de inclusão são os seguintes: dimensão,
estereoquímica, polaridade / efeitos electrónicos, pontos de ligação e podem ser influenciados
pela temperatura, cossolventes e pH. Um dos factores mais importantes é a dimensão da molécula
hóspede relativamente ao tamanho da cavidade da CD. Neste processo não se quebram nem se
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formam ligações covalentes e a sua força motriz é a redução da entalpia aquando da libertação de
moléculas de água do interior da cavidade hidrofóbica. (Singh, 2002)
A força impulsionadora da ligação molécula hóspede - CD pode ser explicada por diferentes
interacções não covalentes fracas (forças de Van der Waal´s, ligações de hidrogénio) e
interacções hidrofóbicas. A complexação é um processo de equilíbrio cinético e termodinâmico
entre as moléculas hóspedes e as CDs livres e o complexo hóspede – CD (Fig. 3b). Há também
uma relação de equilíbrio com os diferentes estados físicos e com os coeficientes de partilha das
moléculas com o meio. (Cabral, Marques 1994; Cabral, Marques 1991; Valle, 2004)
As CD formam complexos de inclusão com substâncias que possuam tamanho, polaridade e
forma geométrica compatíveis com a dimensão da sua cavidade. A inclusão de fármacos na CD
pode ser total ou parcial (Fig. 3).
Fig. 3a) Principais tipos de complexos de inclusão: a) completa; b) parcial; c) axial; d) tipo sandwich; e) e f)
complexos de estequiometria superior. (Rosane, 2005)
Fig.3 b)- Representação esquemática da complexação com o retinol. (Folhetos Roquette, 2005)
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As -CDs formam normalmente complexos de inclusão com hidrocarbonetos alifáticos e gases,
as -CDs com pequenas moléculas aromáticas, como derivados do terpeno ou hidrocortisona e as
-CDs conseguem aceitar moléculas maiores, incluindo a vitamina D2 ou outras grandes
moléculas orgânicas cíclicas. As -CD são largamente utilizadas para aplicação farmacêutica
devido não só ao tamanho adequado da sua cavidade, mas também à sua fácil obtenção. (Challa
et al., 2005)
Em relação à solubilidade dos complexos formados, existem essencialmente dois tipos de
diagramas de solubilidade de fases (Fig.4):
Tipo A (AP; AL; AN): formação de complexos solúveis em água.
Tipo AL: há uma dependência linear da solubilidade total do substracto com a concentração de CD, obtendo-se
complexos de 1ª ordem em relação à concentração de CD.
Tipo Ap: apresenta um desvio positivo da linearidade a concentrações elevadas de CD e corresponde à formação de
complexos de maior ordem molecular.
Tipo AN: apresenta um desvio negativo da linearidade a concentrações elevadas de CD, sendo um dos sistemas
menos frequentes, cuja ocorrência pode ser explicada devido a interacções complexas entre soluto-soluto e solutosolvente.
Tipo B (BS; BI): formação de complexos pouco solúveis que depois se tornam insolúveis
em água (ponto A: limite de solubilidade do complexo; ponto B: ponto em que todo o
fármaco livre foi consumido)
Tipo Bs: pode-se observar-se 3 fases: aumento linear da solubilidade com a formação do complexo, seguido de uma
fase estacionária correspondente à máxima estabilidade e que finaliza quando o soluto no estado sólido é consumido
e uma fase descendente correspondente à diminuição de todo o substrato não complexado em solução por formação
de um complexo de inclusão insolúvel.
Tipo Bi: é interpretado da mesma forma, com a diferença de que o complexo que se forma é tão insolúvel que o
aumento inicial na solubilidade do substrato não é detectável. (Rosane, 2005)
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Fig. 4 – Diagramas de solubilidade de fases: S concentração do fármaco ao fim do tempo t; So: solubilidade do
fármaco na ausência de ciclodextrina (solubilidade aquosa); Sc: solubilidade limite do complexo pouco solúvel.
(Valle, 2004; Higushi & Connors, 1965)
O tipo de diagrama que aparece com mais frequência é o AL (1:1). Neste caso, a constante de
equilíbrio (Ks) é determinada tendo em conta o declive da porção linear da curva obtida (tg α):
Eq. 1: Ks = tg α / [S] (1-tg α) = declive / So (1- declive)
O intervalo “ideal” de valores da constante de equilíbrio será aproximadamente entre 100 – 5 000
M-1 ou, num intervalo mais alargado, entre 100 – 20 000M-1. (Challa et al., 2005)
Quando se obtém um valor superior, o complexo é demasiado estável e não se dissocia da SA,
diminuindo significativamente a sua biodisponibilidade. No caso oposto, o complexo é
demasiado instável. Deste modo, interessa a obtenção de complexos mediamente estáveis,
gerando-se um equilíbrio entre o complexo e as formas livres de CD e SA. (Waleczek et al.,
2003; Higuchi & Connors, 1965; Uekama et al., 1978) Em geral, as formas iónicas dos fármacos,
presentes a um dado intervalo de pH, formam complexos mais instáveis do que as formas não
iónicas correspondentes. Por outro lado, o aumento da temperatura tende geralmente a diminuir a
constante de complexação. Quando adicionados em pequenas quantidades, polímeros
hidrossolúveis, agentes iónicos e cosolventes podem aumentar a solubilização das CDs e
aumentar assim a constante de complexação. (Challa et al., 2005)
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Para ultrapassar várias limitações das CD ao nível da capacidade de inclusão, solubilidade e
toxicidade têm sido produzidos diversos derivados. (Uekama et al., 1990)
Existem diversos métodos de preparação e de caracterização dos complexos de inclusão, os quais
serão posteriormente apresentados no capítulo dos métodos deste trabalho.
Liofilização (freeze drying)
Secagem por Aspersão (spray drying)
Malaxagem (kneading)
Pulverização (grinding method)
Neutralização
Co-precipitação
Aquecimento em Recipiente Selado
Passagem de Gás através de Líquido
Fluidos supercríticos
Caracterização dos complexos:
Cromatografia em camada fina
Polarografia
Dispersão rotatória óptica ou Dicroismo
circular
Espectroscopia (electrónica; de Raman,
de fluorescência)
Espectrofotometria (UV- VIS; IV; Massa;
RMN)
Modeling program
Difracção de raios x
Calorimetria
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A inclusão de um determinado fármaco numa CD apresenta inúmeras vantagens/
aplicações, principalmente tecnológicas. Assim, as aplicações das CDs na via tópica de
fármacos complexados podem ser (Challa et al., 2005; Mosher et al., 2006; Cabral,
Marques, 1994; Szejtli, 1997; Matsuda, 1999):
aumento da libertação do fármaco e/ ou permeação
estabilização do fármaco na formulação ou no local de absorção
diminuição dos efeitos secundários, nomeadamente, da irritação cutânea devido à
menor quantidade de fracção livre de fármaco e menor dose necessária para atingir o
efeito terapêutico
formulação de compostos incompatíveis
fixação de compostos voláteis e melhoramento das propriedades organolépticas
redução da quantidade ou ausência de agentes tensioactivos em emulsões.
A actividade termodinâmica do fármaco no veículo da formulação, assim como o
coeficiente de partilha pele/ veículo, podem afectar significativamente a alteração da
permeabilidade cutânea do fármaco induzida pela CD. As CDs, ao aumentarem a
solubilidade aparente do fármaco, aumentam também a sua actividade termodinâmica
no veículo, promovendo assim a sua libertação do mesmo e, consequentemente, a sua
actuação. Apesar do coeficiente de partilha, por exemplo de um fármaco lipofílico,
poder diminuir com a complexação com CDs hidrofílicas, o aumento da solubilidade do
fármaco e da sua actividade termodinâmica nos veículos pode levar ao aumento da
permeabilidade. Por outro lado, a fracção livre de fármaco ao nível da pele depende da
taxa de dissolução do fármaco; magnitude relativa da constante de complexação;
presença de agentes competidores no local de absorção e da taxa de absorção do
fármaco.
Uma característica importante da utilização de -CDs para tratamento anti-acne deriva
do facto destas incorporarem os ácidos gordos polinsaturados da gordura da pele,
facilitando a absorção do fármaco e, por outro lado, conduzindo indirectamente à
redução da incidência de infecções e inflamações cutâneas. (Challa et al., 2005)
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IV.1.1- Ensaios de solubilidade de fase
Nestes ensaios doseou-se a tretinoína por espectroscopia de UV-VIS no comprimento
de onda de 355 nm (após o respectivo varrimento do comprimento de onda), tendo-se
obtido a recta representada na Fig. 5.
As CDs podem influenciar no doseamento por espectroscopia UV-VIS através de
efeitos designados por: efeitos hipercrómicos e hipocrómicos (desvios da radiação UV
para maior e menor intensidade, respectivamente) e efeitos ipsocrómicos e
batocrómicos (desvios da radiação UV para maior e menor comprimento de onda,
respectivamente).
No entanto, não se observou nenhuma interferência das CDs na radiação UV-VIS na
gama de concentrações usada e, por outro lado, a sua estrutura permite que continue a
haver absorção por parte da molécula incorporada.
0,8
Absorvência
0,7
Y = 0,0426 + 31,215 X
0,6
0,5
r2 =98,8%
0,4
r =0,994016
0,3
0,2
0,1
0
0
0,005
0,01
0,015
0,02
0,025
Conc. SA (mM)
Fig. 5- Recta de calibração tratada estatisticamente da solução de tretinoína em isopropanol: água
desionizada (70:30) no intervalo de concentração 0,005-0,02 mM a pH  5 (p < 0,0001).
Resumidamente, as três curvas de calibração foram construídas numa gama linear de
concentrações da tretinoína (0,005-0,02 mM). A exactidão do método foi avaliada
através do cálculo do erro relativo que foi sempre menor que 1. A precisão foi avaliada
através do cálculo do coeficiente de variação e foi menor que 1. A reprodutibilidade do
método foi avaliada através da análise de covariância (ANCOVA). A quantificação do
método revelou uma boa reprodutibilidade, uma vez que não foram encontradas
diferenças estatisticamente significativas entre as três curvas de calibração, ou seja,
conclui-se que eram coincidentes (F4, 115 = 2,38; p= 0,056).
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Seguidamente, realizaram-se os ensaios de solubilidade de fase de acordo com o
descrito nos métodos.
0,6
y = 0,0142x - 0,0273
R2 = 0,9856
conc. SA * 10^(-3) (M)
0,5
0,4
1ª colheita: 52h
0,3
2ª colheita: 100h
3ª colheita: 168h
0,2
4ª colheita: 194h
0,1
Linear (4ª colheita:
194h)
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
-0,1
conc. CD * 10 ^(-3) (M)
Fig. 6 a)- Estudos de solubilidade de fase da tretinoína com a dimetil-beta-ciclodextrina (pH 5) (desvio
padrão ≤ 0,015).
Através da observação do gráfico obtêm-se os seguintes dados:
- o complexo é solúvel, isto é,
a concentração de SA doseada é directamente
proporcional à quantidade de CD adicionada, uma vez que a complexação vai aumentar
a solubilidade do fármaco em água e permitir assim o seu doseamento
espectrofotométrico. Um complexo solúvel dá origem ao gráfico tipo AL correspondente
à estequiometria de 1: 1 (SA:CD) nas várias colheitas, embora possa haver mistura das
estequiometrias de 1:1 e 1:2 (Fig. 6 b).- rever este capítulo no artigo publicado
As moléculas de água que envolviam a cavidade da CD foram substituídas por
moléculas da SA que, por ser uma molécula menos polar, ao complexar com a CD,
origina a formação de um sistema energeticamente mais estável. (Higuchi & Connors,
1965; Szjetli, 1998)
a)
b)
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R² = 0.9855
St vs Lt
a)
c) Fig. 6 b) Estudos de solubilidade de fase da
0.6
tretinoína
com
a
dimetil-beta-ciclodextrina
0.5
considerando
St (mM)
0.4
estequiometria
0.3
2
0.2
diferentes
de
estequiometrias:
1:1;
b)
mistura
a)
das
estequiometrias de 1:1 e 1:2; c) mistura das
0.1
0
0
10
20
30
40
50
-0.1
estequiometrias
de
1:1
predominância
de
1.1;
e
1:2,
d)
mas
com
mistura
das
Lt (mM)
estequiometrias de
1:1
e
1:2,
mas
com
predominância de 1:2.
- o tempo de complexação prolonga-se para um máximo de complexação por,
aproximadamente, 8 dias;
- a constante de equilíbrio de complexação é relativamente elevada, o que sugere que o
complexo formado seja estável: Ks  13 600 M-1 (correspondente à 4ª colheita e
considerando-se So = 0,00106 x 10 (-3) M, valor médio da solubilidade aquosa da SA na
ausência de CD). Não se usou Sintercepção pois corresponde a um valor negativo e
teoricamente não existe Ks negativo. O valor negativo da Sintercepção pode justificar-se
pelo facto da tretinoína ser um fármaco muito pouco solúvel e/ ou pela presença de
impurezas presentes no próprio fármaco e pela interacção entre monómeros do fármaco
(SA-SA), o que teria como consequência a diminuição da fracção livre de SA para se
combinar com a CD. Assim, segundo este autor o perfil obtido corresponde ao do tipo
AL – (Sintercepção < So). Há casos em que pode suceder exactamente o contrário obtendose o perfil do tipo Al + ( Sintercepção > So). (Loftsson et al. 2005).
Quando Ks > 10 000 M-1, aproximadamente, a CD diminui a biodisponibilidade da SA,
pois diminui a fracção livre de SA disponível para se ligar aos receptores
d)
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correspondentes e exercer assim a sua actividade terapêutica. (Waleczek et al., 2003;
Higuchi & Connors, 1965; Uekama et al., 1978)
No entanto, serão necessários mais dados relativos ao complexo obtido (apresentados
seguidamente) e também de ensaios de difusão para se inferir acerca da necessidade de
uma possível variação metodológica, nomeadamente: o uso de um agente competidor na
fórmula, mudança de CD (por exemplo, a hidroxipropil--CD, também muito usada em
formulações tópicas) ou escolha de um determinado método de complexação (em que se
demonstre haver alguma percentagem de SA livre).
Caso o trabalho experimental pudesse prolongar-se por mais tempo seria interessante ter
prosseguido com mais métodos de determinação da constante de solubilidade. De
acordo com o método de Uekama et al. (1978) recorrer-se - ia à cromatografia (HPLC),
adicionando-se a CD à fase móvel. A CD vai atrasar o tempo de retenção da SA,
conforme a constante de equilíbrio. Este método apresenta diversas vantagens: rapidez;
reprodutibilidade; sensibilidade e é adequado para analisar compostos instáveis, o que é
o caso.
Existem ainda outros métodos referenciados na literatura: potenciométricos (T. Miyaji
et al., 1976); espectrofotométricos (F. Cramer et al., 1972); polarográficos (Ono, 1999);
electroforéticos; permeação de membrana; modelação molecular (Cirri et al., 2004),
entre outros. Teoricamente não existe um método considerado ideal, devendo-se
escolher o que mais se adapta ao tipo de complexo. Por exemplo, o método de
permeação de membrana é relativamente simples e rápido, permitindo obter
simultaneamente os dados de permeação, mas requer uma elevada concentração de CD
na fase dadora. A electroforese de afinidade capilar é um método selectivo e rápido,
requerendo uma quantidade de amostra reduzida, mas é apenas aplicável se o fármaco
se encontrar na forma ionizada. A modelação molecular dá apenas um valor de previsão
através do modelo teórico e, por isso, deve ser complementado com determinações
experimentais.
Geralmente os valores da constante de complexação obtidos pelas diferentes técnicas
para o mesmo complexo diferem entre si devido às condições experimentais distintas
que podem influenciar o processo de complexação.
Loftsson et al. (2005) apontam também limitações à obtenção desta constante pelo
método de Higuchi & Connors (1965), sendo o erro tanto maior quanto menor a
solubilidade do fármaco (So < 1 mg/ml). Ainda segundo este autor, a constante de
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complexação corresponderá a uma combinação de várias constantes que descrevem
vários mecanismos de solubilização que coexistem num sistema não ideal.
No entanto, optou-se pelo método de Higuchi & Connors (1965) por ser ainda o método
mais referenciado na literatura.